Massa- och pappersindustrins möjliga utveckling fram till 2050

PM för LETS scenarioarbete Input från WP3, Karin Ericsson, 2010-06-15 Massa- och pappersindustrins möjliga utveckling fram till 2050 potentiell drivmedelsproduktion och dess effekter på biomassanvändningen Bakgrund och syfte Massa- och pappersindustrin använder stora mängder massaved (som alternativt kan användas för energiändamål), liksom stora mängder el och bioenergi. Massa- och pappersindustrin har dessutom goda möjligheter att producera biodrivmedel i framtiden. Hur den svenska massaoch pappersindustrin utvecklas i framtiden med avseende på produktionsvolymer och har därför stor inverkan på den svenska energianvändningen och på möjligheten att producera stora mängder biodrivmedel i Sverige. Kunskap om möjliga utvecklingsvägar för massaoch pappersindustrin är därför viktig input till scenariearbetet inom LETS. Syftet med detta PM är att visa vilka mängder biodrivmedel som massaoch pappersindustrin skulle kunna producera i framtiden (2050), och vilka effekter det skulle få på användningen av fasta biobränslen och elbalansen. Hur fortsatt energieffektivisering inom massaoch pappersproduktionen inverkar på användningen av biobränslen kommer också att illustreras. Elanvändningen i massaoch pappersindustrin uppgick 2008 till 22,0 TWh, varav 5,9 TWh produceras internt i mottrycksturbiner. Massa- och pappersindustrins elanvändning motsvarade 45 % av den totala elanvändningen i industrin. Bioenergianvändningen i massapappersindustrin uppgick samma år till 53,9 TWh, varav ca 44 TWh utgjordes av svartlut (en biprodukt från kemisk massaproduktion) och ca 10 TWh av fasta biobränslen (bark och avverkningsrester) (Energimyndigheten, 2009). Därutöver användes 3,9 TWh fossila bränslen, vilka emellertid är på väg att fasas ut från den dagliga produktionen. Förutom den egna stora användningen av bioenergi förser skogsindustrin övriga samhället, i synnerhet fjärrvärmesektorn, med biobränslen såsom bark, avverkningsrester och träpellets. Hanteringen och försäljningen av biobränslen sker inom skogsindustrikoncernernas bränslebolag. I framtiden skulle massaoch pappersindustrin även kunna bli en stor leverantör av biodrivmedel. Massa- och pappersindustrin har goda möjligheter att producera andra generationens biodrivmedel via förgasning av svartlut. Två lovande kandidater är metanol och DME (dimetyleter) som kan användas i modifierade dieselmotorer. Verkningsgraden för produktion av dessa biodrivmedel är förhållandevis hög, bortåt 60%. En fördel med att integrera produktionen av biodrivmedel i massaoch pappersindustrin är att på så sätt kunna utnyttja industrins kunnande och befintlig infrastruktur för biomassaförsörjning. Den främsta fördelen är emellertid att det möjliggör produktion av dessa biodrivmedel från svartlut i stället för fast biomassa. Det är betydligt enklare att förgasa svartlut än fast biomassa. Då svartluten idag

utnyttjas för att producera processånga som används i tillverkningsprocesserna innebär det att ett eventuellt bortfall av svartlut måste kompenseras genom en större användning av fasta biobränslen för att producera processånga. Hur mycket biobränslen som kommer att behövas beror på hur mycket svartlut som avleds för att producera biodrivmedel och på hur behovet av processvärme (energieffektiviteten) i massaoch pappersproduktionen utvecklas. Svartlutsförgasning har testats vid ett antal pilot- och demonstrationsanläggningar i Sverige sedan 1980-talet. Tidigare var syftet med svartlutsförgasning framför allt att möjliggöra elproduktion med gaskombi och därigenom öka elutbytet. På senare år har emellertid den främsta drivkraften varit att möjliggöra produktion av biodrivmedel. För närvarande testas svartlutsförgasning i kombination med produktion av DME i en demonstrationsanläggning i Piteå. Den främsta anledningen till att svartlutsförgasning inte har slagit igenom är de stora investeringsbeloppen som krävs och rädslan för att en ska medföra produktionsstörningar inom massaoch pappersproduktionen. Kemisk och mekanisk massaproduktion Massaproduktionen kan grovt delas in i två processer; kemisk och mekanisk massaproduktion. De två processerna skiljer sig fundamentalt med avseende på energianvändning och vedutbyte, och som resultat av detta är produktion av biodrivmedel från svartlut endast möjlig i samband med kemisk massaproduktion. I den kemiska processen friläggs cellulosafibrerna från veden genom att flisen kokas i en kemikalielösning. Omkring 50% av veden omvandlas till massa. Återstoden består huvudsakligen av lignin som utgör det huvudsakliga energiinnehållet i svartlut. Svartluten indunstas för att öka torrhalten och förbrännas därefter i den sk sodapannan. I sodapannan produceras högtrycksånga som utnyttjas för elproduktion och som processånga i tillverkningsprocesserna. I botten på sodapannan återvinns kokkemikalierna i form av en smälta. I den mekaniska massaprocessen, å andra sidan, friläggs fibrerna genom att träflisen mals i sk raffinörer. Processen är mycket elintensiv. Omkring 95% av veden omvandlas till massa. Energisituationen i massanbruken skiljer sig också åt beroende på om de är fristående bruk med avsalumassaproduktion eller integrerade bruk med både massaoch pappersproduktion. produktionsvolymer Den svenska massaoch pappersproduktionen uppgick 2008 till 12,1 miljon ton massa och 11,7 miljoner ton papper. Den kemiska processen svarade för 8,5 miljon ton, varav 50% var avsalumassa, och den mekaniska processen svarade för 3,6 miljoner ton, varav 13% var avsalumassa. Det är svårt att sia om hur produktionsvolymerna inom svensk massaoch pappersindustri kommer att utvecklas fram till 2050. De framtida produktionsvolymerna är beroende dels av efterfrågan på pappersprodukter globalt och dels på hur den svenska produktionen står sig i den internationella konkurrensen. Historiskt sett har den svenska massaoch pappersproduktionen stadigt ökat under de senaste årtiondena. Under de senaste tio åren har tillväxttakten varit 1,2% för massa och 1,5% för papper. Om dessa tillväxttakter står sig under de kommande 40 åren innebär det att massaproduktionen skulle öka med drygt 60% fram till 2050. En så stor produktionsökning är emellertid tveksam med avseende på råvaruförsörjningen. Råvaruförsörjning bestod 2007 av 47,9 miljoner m3 massaved (exkl. bark), varav cirka 11% importerades. I dagsläget finns möjlighet att öka virkesuttaget ur den svenska skogen med kanske 10%, något som eventuellt kan öka i framtiden då klimatförändringarna förväntas medföra ökad skogstillväxt. Samtidigt pekar utvecklingen mot försämrade möjligheter att importera massaved i framtiden p.g.a. ryska virkestullar m.m..

För analyserna i detta PM görs den grova bedömningen att massaoch pappersproduktionen ökar med 20% fram till 2050. För enkelhetens skull antas produktionen av både kemisk och mekaniska massa öka med 20%, liksom den av papper. Huruvida kemisk eller mekanisk massa kommer att klara sig bäst i framtiden beror dels på vilka papperskvaliteter som kommer att efterfrågas och dels på den relativa prisutvecklingen på el och massaved. Höga elpriser missgynnar mekanisk massaproduktion medan höga massavedspriser slår hårdare mot kemisk massaproduktion. Energieffektivisering och produktion av biodrivmedel Produktionsprocesserna i massaoch pappersindustrin har kontinuerligt energieffektiviserats under de senaste decennierna. Ändå finns det utrymme för fortsatt effektivisering. Effektiviseringsmöjligheterna är störst på värmesidan (behovet av processånga) och därmed inom kemisk massaproduktion. Den specifika elanvändningen kan förmodligen också minska något i produktion av mekanisk massa och för olika typer av papper. Hur den specifika elanvändningen utvecklas för papper som helhet beror emellertid framför allt på vilka typer av papper (katong, finpapper, hygienpapper m.m) som kommer att produceras. Modelleringar inom projektet kretsloppsanpassad massafabrik visar att det finns stora möjligheter att minska behovet av processånga i kemisk massaproduktion genom ökad värmeintegrering och slutning och processer. Det genomsnittliga processvärmebehovet i kemisk avsalumassaproduktion i Sverige uppgick till 18 GJ/ton 2007. För produktionsanläggningar för avsalumassa som utnyttjar är det typiska processvärmebehovet 11 GJ/ton massa, och behovet bedöms kunna minska till 7 GJ/ton med framtida (Bergelin m.fl., 2010). Tabell 1 presenterar den genomsnittliga användningen av processvärme och el för olika produktionsprocesser, liksom egna och litteraturbaserade uppskattningar för hur dessa skulle kunna utvecklas med hjälp av och framtida. Tabell 1: De specifika behoven av el och processvärme i produktion av massa och/eller papper. Genomsnittlig energianv. Energianvändning antaget energieffektivisering Produktionsprocess Energibärare Enhet 2007 a Kemisk avsalumassa Värme GJ/ton massa 18 11 b 7 b Kemisk avsalumassa El kwh/ton massa 821 700 b 700 b Integrerad produktion av GJ/ton papper inkl. Värme massa och papper massa 16 15 b 11 b Mekaniska massa Värme GJ/ton massa 0,9 0,7 0,5 Mekanisk massa El kwh/ton massa 2 256 2100 2000 Papper Värme GJ/ton massa 4,9 4,0 3,0 Papper El kwh/ton papper 697 670 670 a Wiberg, 2007 b Bergelin m.fl. (2010) Möjlig utveckling - fem fall För att analysera hur energieffektivisering och produktion av biodrivmedel inom massaoch pappersindustrin påverkar på biobränsleanvändningen och elbalansen konstrueras fem fall. Fall 1 och 2 illustrerar effekten av energieffektivisering och fall 3-5 en kombination av energieffektivisering och produktion av biodrivmedel. Energieffektivisering antas ske med hjälp av respektive framtida enligt de specifika energibehoven som ges i Tabell 1.

Den kemiska massaproduktionen, med eller utan produktion av DME, modelleras baserat på anläggnings data från Bergelin m.fl. (2010). Användningen av fossila bränslen antas ha fasats ut i samtliga fall. Elproduktion antas endast förekomma i de kemiska massabruken. Elproduktionen i den mekaniska massaproduktionen är för närvarande mycket liten. De fem fallen är: Fall 1: Fall 2: Fall 3: Fall 4: Fall 5: Dagens produktionsvolymer 20% ökad massaoch pappersproduktion 20% ökad produktion, DME- produktion från 20% av svartluten i fristående respektive integrerade bruk 20% ökad produktion, DME produktion från 50% respektive 20 % av svartluten i fristående och integrerade bruk 20% ökad produktion. Maximal DME- produktion från 100% av svartluten Resultat och avslutande diskussion Den svenska massaoch pappersindustrins möjliga utveckling enligt de fem fallen presenteras i Tabell 2 och 3. Tabell 2: Massa- och pappersindustrins utveckling med avseende på olika energibärare för fall 1 och 2 (energieffektivisering) (TWh/år). Dagens 20% ökade produktionsvolymer produktionsvolymer (Fall 1) (Fall 2) I dag (2008) Fossila bränslen 3,9 0 0 0 0 Biobränsleanvändning (exkl. svartlut) 10 11,2 3,5 13,5 4,3 Elanvändning 22 21,4 21,0 25,6 25,2 Elproduktion 5,9 9,2 11,7 11,6 14,1 Tabell 3: Massa- och pappersindustrins utveckling med avseende på olika energibärare för fall 3-5 (20% ökad produktionsvolym, energieffektivisering+ DME- produktion) (TWh/år). I dag 20%/20% (Fall 3) 50%/20% (Fall 4) 100%/100% (Fall 5) (2008) Fossila bränslen 3,9 0 0 0 0 0 0 Biobränsleanvändning (exkl. svartlut) 10 19,5 7,0 22,2 7,5 43,8 17,7 Elanvändning 22 26,6 26,2 27,2 26,8 30,5 30,1 Elproduktion 5,9 10,5 11,9 9,4 10,1 6,2 3,2 DME-produktion 0 6,7 6,7 11,0 11,0 33,4 33,4 Bränsleanvändningen i massaoch pappersindustrin skulle kunna minska markant om eller framtida utnyttjades i produktionsprocesserna. Med framtida skulle bränsleanvändningen (exklusive svartlut) kunna minska från 13,9 TWh till 3,5 TWh förutsatt dagens produktionsvolymer. Med fullt utnyttjande av skulle bränsleanvändningen kunna

minska från 13,9 TWh till 11,2 TWh. Den interna elproduktionen ökar också markant eftersom mindre ånga behöver tappas av från mottrycksturbinerna och det finns utrymme att utnyttja kondensturbin. Utifrån antagandet om att massaoch pappersproduktionen ökar med 20% skulle DMEproduktionen som mest kunna uppgå till 33 TWh, vilket motsvarar 39% av dagens bensinoch dieselkonsumtion. För att kompensera bortfallet av svartlut måste användningen av fasta biobränslen på bruken öka. Biobränsleanvändningen ökar från 10 till 44 TWh/år om massaoch pappersproduktionen antas ske med och till 18 TWh om produktionen antas ske med framtida. En del av ökningen, 3,9 TWh, orsakas av utfasningen av fossila bränslen. Den framtida utformningen (energieffektiviteten) på bruken får sålunda stort genomslag på behovet av biobränslen. Det är inte särskilt troligt att all svartlut kommer att förgasas för produktion av biodrivmedel inom de närmaste 40 åren. Massa- och pappersindustrin karakteriseras av långa kapitalcykler och förgasningsen har ännu inte slagit igenom. Inom de närmaste 40 åren är det troligare är att de massabruk som implementerar svartlutsförgasning enbart förgasar en del av svartluten, kanske 20-40%, medan resten förbränns i sodapannan. Investeringen i förgasaren medför då möjlighet att öka brukets kapacitet eftersom sodapannan ofta utgör en flaskhals. Om 20% av svartluten används för produktion av biodrivmedel skulle den årliga produktionen av DME kunna uppgå till 6,7 TWh (7,9% av bensinoch dieselförbrukningen), förutsatt att massaproduktionen ökar med 20%. Referenser Bergelin, N. et al., utkast 2010, opublicerad. Case study: DME via gasification of black liquor, in: Grahn, M. (Ed.), Interpreting Well to Tank Analyses. Energimyndigheten, 2009. Energiläget 2009. ET 2009:28, Eskilstuna. Wiberg, R., 2007. Energiförbrukning i massaoch pappersindustrin 2007 [ Energy use in the pulp and paper industry 2007]. ÅF/Skogsindustriernas Miljö- och Energikomitté, Stockholm.